Auralización interactiva de barreras acústicas utilizando el método de acústica geométrica y elementos finitos
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Abstract
The present work aims to develop an interactive auralization system comprising the entire frequency range of human hearing. The objective is to auralize the screening effect produced by an acoustic barrier (AB). This objective was accomplished with the integration of two methods used to model the propagation of sound: Geometrical Acoustics (GA) and Finite Element (FE). This system allows users to move and rotate in a virtual environment perceiving the pressure variations of the sound field according to its spatial location. The inclusion of the FE method for the numerical solution of the wave equation is a consequence of the limitation of the GA method at low frequencies. In the addition, the use of this tool allows the calculation of the transmission loss (TL) of the acoustic barrier, as well as the estimation of the diffraction phenomenon. Based on the above arguments, a free-field domain was designed for both methods, with the assumption of anechoic boundary conditions. The following step was the synthesis of B-format signals that contain the spatial information of the domain. In GA, the creation of B-Format signals is done by the export of Wav files generated by the software. In the case of FE, it is done through the formulation of an inverse problem, that using discrete pressure data allows the determination of the synthesis of the complex spherical harmonic coefficients. After obtaining the B-Format signals in both GA and FE, a crossover to integrate the impulse responses (IR) obtained by both methods is designed. Additionally, an algorithm developed in Max and articulated with Unity software is created in order to generate a visual interface that allows the real-time spacialization of the effect of a AB based on the position and orientation of an avatar within a virtual environment. Finally, the result is the rendering of the sound pressure considering the effect of an AB by means of the two above mentioned methods. Consequently, a computational tool to auralize the screening effect generated of a AB in real-time is provided.
Resumen en español
El presente trabajo consiste en desarrollar un sistema de auralización interactiva en todo el rango de frecuencias de la escucha humana. El objetivo es auralizar el efecto de apantallamiento producido por una barrera acústica (BA). Lo anterior se obtiene integrando dos métodos para modelar la propagación del sonido, Acústica Geométrica (GA) y Elementos Finitos (FE) respectivamente. Dicho sistema permite al usuario trasladarse y rotar en un entorno virtual percibiendo las variaciones de presión en el campo sonoro de acuerdo a su ubicación espacial. La inclusión de FE para la solución numérica de la ecuación de onda es consecuencia de la limitación en baja frecuencia que posee GA. En adición, el uso de esta herramienta permite calcular el índice de transmisión (TL) de la barrera acústica y la estimación del fenómeno de difracción. Con base en los anteriores argumentos se diseña un dominio a campo libre para ambos métodos cuyas condiciones de frontera son asumidas como anecoicas. Posteriormente, se procede con la síntesis de las señales B-Format, las cuales contienen la información espacial del campo sonoro. En GA la creación de las señales B-Format se realizan por medio de la exportación de archivos WAV, los cuales son generados por el software. Para el caso de FE se procede con la formulación de un problema inverso que permite determinar a partir de datos discretos de presión la síntesis de coeficiente de armónicos esféricos complejos. Luego de la obtención de las señales B-Format tanto en GA como en FE, se diseña un crossover que permite la integración de las respuestas al impulso (IR) obtenidas mediante ambos métodos. A su vez se crea un algoritmo en Max que se articula con el software Unity con el fin de generar una interfaz visual que permite espacializar en tiempo-real el efecto de una barrera acústica de acuerdo a la posición y orientación de un avatar dentro un entorno virtual. Finalmente se obtiene como resultado el render de la presión sonora considerando el efecto de una barrera acústica por medio de los métodos previamente mencionados. De esta manera se provee una herramienta computacional que permite auralizar el efecto de apantallamiento que genera una barrera acústica en tiempo-real.